Энергоемкий способ выплавки стали это

Производство стали

Сталь является одним из самых распространенных материалов на сегодняшний день. Она представляет собой сочетание железа и углерода в определенном процентном соотношении. Существует огромное количество разновидностей этого материала, так как даже незначительное изменение химического состава приводит к изменению физико-механических качеств. Сырье для производства стали сегодня представлено отработанными стальными изделиями. Также было налажено производство конструкционной стали из чугуна. Страны-лидеры в металлургической промышленности проводят выпуск заготовок согласно стандартам, установленным в ГОСТ. Рассмотрим особенности производства стали, а также применяемые методы и то, как проводится маркировка полученных изделий.

Особенности процесса производства стали

В производстве чугуна и стали применяются разные технологии, несмотря на достаточно близкий химический состав и некоторые физико-механические свойства. Отличия заключаются в том, что сталь содержит меньшее количество вредных примесей и углерода, за счет чего достигаются высокие эксплуатационные качества. В процессе плавки все примеси и лишний углерод, который становится причиной повышения хрупкости материала, уходят в шлаки. Технология производства стали предусматривает принудительное окисление основных элементов за счет взаимодействия железа с кислородом.

Выплавка стали в электропечи

Рассматривая процесс производства углеродистой и других видов стали, следует выделить несколько основных этапов процесса:

1. Расплавление породы. Сырье, которое используется для производства металла, называют шихтой. На данном этапе при окислении железа происходит раскисление и примесей. Уделяется много внимания тому, чтобы происходило уменьшение концентрации вредных примесей, к которым можно отнести фосфор. Для обеспечения наиболее подходящих условий для окисления вредных примесей изначально выдерживается относительно невысокая температура. Формирование железного шлака происходит за счет добавления железной руды. После выделения вредных примесей на поверхности сплава они удаляются, проводится добавление новой порции оксида кальция.
2. Кипение полученной массы. Ванны расплавленного металла после предварительного этапа очистки состава нагреваются до высокой температуры, сплав начинает кипеть. За счет кипения углерод, находящийся в составе, начинает активно окисляться. Как ранее было отмечено, чугун отличается от стали слишком высокой концентрацией углерода, за счет чего материал становится хрупким и приобретает другие свойства. Решить подобную проблему можно путем вдувания чистого кислорода, за счет чего процесс окисления будет проходить с большой скоростью. При кипении образуются пузырьки оксида углерода, к которым также прилипают другие примеси, за счет чего происходит очистка состава. На данной стадии производства с состава удаляется сера, относящаяся к вредным примесям.
3. Раскисление состава. С одной стороны, добавление в состав кислорода обеспечивает удаление вредных примесей, с другой, приводит к ухудшению основных эксплуатационных качеств. Именно поэтому зачастую для очистки состава от вредных примесей проводится диффузионное раскисление, которое основано на введении специального расплавленного металла. В этом материале содержатся вещества, которые оказывают примерно такое же воздействие на расплавленный сплав, как и кислород.

Кроме этого, в зависимости от особенностей применяемой технологии могут быть получены материалы двух типов:

1. Спокойные, которые прошли процесс раскисления до конца.
2. Полуспокойные, которые имеют состояние, находящееся между спокойными и кипящими сталями.

При производстве материала в состав могут добавляться чистые металлы и ферросплавы. За счет этого получаются легированные составы, которые обладают своими определенными свойствами.

Способы производства стали

Существует несколько методов производства стали, каждый обладает своими определенными достоинствами и недостатками. От выбранного способа зависит то, с какими свойствами можно получить материал. Основные способы производства стали:

1. Мартеновский метод. Данная технология предусматривает применение специальных печей, которые способны нагревать сырье до температуры около 2000 градусов Цельсия. Рассматривая способы производства легированных сталей, отметим, что этот метод также позволяет проводить добавление различных примесей, за счет чего получаются необычные по составу стали. Мартеновский метод основан на применении специальных печей.
2. Электросталеплавильный метод. Для того чтобы получить материал высокого качества проводится производство стали в электропечах. За счет применения электрической энергии для нагрева сырья можно точно контролировать прохождение процесса окисления и выделения шлаков. В данном случае важно обеспечить появление шлаков. Они являются передатчиком кислорода и тепла. Данная технология позволяет снизить концентрацию вредных веществ, к примеру, фосфора и серы. Электрическая плавка может проходить в самой различной среде: избыточного давления, вакуума, при определенной атмосфере. Проводимые исследования указывают на то, что электросталь обладает самым высоким качеством. Применяется технология для производства качественных высоколегированных, коррозионностойких, жаропрочных и других видов стали. Для преобразования электрической энергии в тепловую применяется дуговая печь цилиндрической формы с днищем сферического типа. Для обеспечения наиболее благоприятных условий плавки внутреннее пространство отделывается при использовании жаропрочного металла. Работа устройства возможна только при подключении к трехфазной сети. Стоит учитывать, что сеть электрического снабжения должна выдерживать существенную нагрузку. Источником тепловой энергии становится электрическая дуга, возникающая между электродом и расплавленным металлом. Температура может быть более 2000 градусов Цельсия.
3. Кислородно-конвертерный. Непрерывная разливка стали в данном случае сопровождается с активным вдуванием кислорода, за счет чего существенно ускоряется процесс окисления. Применяется этот метод изготовления и для получения чугуна. Считается, что данная технология обладает наибольшей универсальностью, позволяет получать металлы с различными свойствами.

Способы производства оцинкованной стали не сильно отличаются от рассматриваемых. Это связано с тем, что изменение качеств поверхностного слоя проходит путем химико-термической обработки.

Существуют и другие технологии производства стали, которые обладают высокой эффективностью. Например, методы, основанные на применении вакуумных индукционных печей, а также плазменно-дуговой сварки.

Мартеновский способ

Суть данной технологии заключается в переработке чугуна и другого металлолома при применении отражательной печи. Производство различной стали в мартеновских печах можно охарактеризовать тем, что на шихту оказывается большая температура. Для подачи высокой температуры проводится сжигание различного топлива.

Схема мартеновской печи

Рассматривая мартеновский способ производства стали, отметим нижеприведенные моменты:

1. Мартеновские печи оборудованы системой, которая обеспечивает подачу тепла и отвода продуктов горения.
2. Топливо подается в камеру сгорания поочередно, то с правой, то с левой стороны. За счет этого обеспечивается образование факела, который и приводит к повышению температуры рабочей среды и ее выдерживание на протяжении длительного периода.
3. На момент загрузки шихты в камеру сгорания попадает достаточно большое количество кислорода, который и необходим для окисления железа.

При получении стали мартеновским способом время выдержки шихты составляет 8-16 часов. На протяжении всего периода печь работает непрерывно. С каждым годом конструкция печи совершенствуется, что позволяет упростить процесс производства стали и получить металлы различного качества.

В кислородных конвертерах

Сегодня проводится производство различной стали в кислородных конвертерах. Данная технология предусматривает продувку жидкого чугуна в конвертере. Для этого проводится подача чистого кислорода. К особенностям этой технологии можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Конвертор – специальное оборудование, которое представлено стальным сосудом грушевидной формы. Вместительность подобного устройства составляет 100-350 тонн. С внутренней стороны конструкция выкладывается огнеупорным кирпичом.
2. Конструкция верхней части предполагает горловину, которая необходима для загрузки шихты и жидкого чугуна. Кроме этого, через горловину происходит удаление газов, образующихся в процессе плавления сырья.
3. Заливка чугуна и добавление другой шихты проводится при температуре около 1400 градусов Цельсия. Для того чтобы обеспечить активное окисление железа чистый кислород подается под давлением около 1,4 МПа.
4. При подаче большого количества кислорода чугун и другая шихта окисляется, что становится причиной выделения большого количества тепла. За счет сильного нагрева происходит расплавка всего шихтового материала.
5. В тот момент, когда из состава удаляется излишек углерода, продувка прекращается, фурма извлекается из конвертора. Как правило, продувка продолжается в течение 20 минут.
6. На данном этапе полученный состав содержит большое количество кислорода. Именно поэтому для повышения эксплуатационных качеств в состав добавляют различные раскислители и легирующие элементы. Образующийся шлак удаляется в специальный шлаковый ковш.
7. Время конверторного плавления может меняться, как правило, оно составляет 35-60 минут. Время выдержки зависит от типа применяемой шихты и объема получаемой стали.

Стоит учитывать, что производительно подобного оборудования составляет порядка 1,5 миллионов тонн при вместительности 250 тонн. Применяется данная технология для получения углеродистых, низкоуглеродистых, а также легированных сталей. Кислородно-конвертерный способ производства стали был разработан довольно давно, но сегодня все равно пользуется большой популярностью. Это связано с тем, что при применении этой технологии можно получить качественные металлы, а производительность технологии весьма высока.

В заключение отметим, что в домашних условиях провести производство стали практически невозможно. Это связано с необходимостью нагрева шихты до достаточно высокой температуры. При этом процесс окисления железа весьма сложен, как и удаления вредных примесей

Источник

Сравнение энергоемкости стали различных методов выплавки

Мировой индекс цен на электроэнергию и топливо по сравнению с другими промышленными ресурсами увеличивается намного быстрее, поэтому в современных условиях энергетическая экономичность промышленных процессов, в том числе и при выплавке стали, относится к важнейшим показателям производства. Анализ уровня и структуры энергозатрат на получение ста­ли позволяет наметить перспекгивные энергосберегающие технологические схемы и пути снижения энергоемкости металлопродукции.

Энергоемкость, т.е. затраты первичной энергии на получение стали, представляет собой сумму затрат потенциальной тепловой энергии как в собственно ста­леплавильном производстве, так и на всех предшествующих этапах получения материалов, использованных на плавку, в том числе на энергоносители (топливо, электроэнергию), а также затраты энергии на добычу сырья, его транспортировку, подготовку производства.

Проанализируем энергоемкость углеродистой стали, выплавленной разными процессами: конвертерным с долей лома в шихте 25 — 30 %, мартеновским скрап-рудным с долей лома 45 %. мартеновским скрап-процессом с долей лома 65 %. электросталеплавильным с долей лома 100 %, электросталеплавильным с подогревом лома в шахтном подогревателе конструкции фирмы «Фукс Системтехник» с долей лома 70 и 100 %. топливно-дуговым процессом и в агрегате EOF с долей лома 50 % .

При расчетах энергоемкость материалов принималась по литературным данным, при этом учитывались основные технологические энергозатраты на: металлошихту, топливо и электроэнергию, кислород, огнеупоры, известь, графитированные электроды и газоудаление.

Максимальный уоовень энергозатрат характерен для процессов с высокой долей чугуна в шихте (конвертерный, мартеновский и EOF). Доля энергозатрат на чугун достигает при этом 53 — 91 % от общих затрат энергии на выплавку стали, Затраты первичной энергии при выплавке стали в дуговой сталеплавильной печи (ДСП), работающей на 100 % лома, и электроэнергии в 1.8 — 2.3 раза меньше, чем в указанных выше процессах. Применение 30 % чугуна в шихте ДСП приводит к увеличению энергозатрат на выплавку электростали в 1,5 раза.

Анализ показывает, что электросталеплавильный процесс при 100% лома в шихте является наиболее эффективным по энергозатратам. Важнейшим резервом снижения энергоемкости стали является, кроме повы­шения доли лома в шихте, экономия топлива is энергии при получении стали.

Рассмотрим на примере ДСП основные направ­ления энергетической оптимизации электроплавки:

1) минимальное использование электроэнергии — наиболее дорогого энергоносителя, применение кото­рого связано с наибольшими затратами первичного топлива. На получение 1 кВт*ч электроэнергии расхо­дуется 3,1 — 3.3 кВт — ч топлива:

2) использование в ДСП максимально возможных количеств относительно дешевого органического топлива. преимущественно угля;

3) наиболее полное использование тепла отходя­щих газов для предварительного высокотемпературного нагрева лома.

Количество энергии, вводимой с топливом, при широком использовании на современных ДСП топливно-кислородных горелок (ТКГ), обычно не превышает 50-70 кВт*ч/т, что сокращает расход электроэнергии на 35-50 кВт*ч/т.

За рубежом топливо отходящих газов ДСП используют для нагрева лома в загрузочных бадьях. Однако из-за ограниченой стойкости бадей среднемассовая температура подогрева лома обычно составляет 300-350°С. Такой подогрев обеспечивает снижение расхода электроэнергии на 25-35 кВт*ч/т.

Совместное использование ТКГ и подогрева лома в бадьях позволило уменьшить расход электроэнергии до 400-430 кВт*ч/т, а расход првичного топлива, рассчитаного только по энергоносителям, до 1700-1800 кВт*ч/т. Дальнейшее сокращение этих расходов требует значительного увеличения количества топлива, используемого взамен электроэнергии, и перехода к высокотемпературному подогреву отходящими газами всей массы лома.

Предварительный подогрев лома до среднемассовой температуры 1000 °С впервые реализован в агрегате ББК-Бруса. в котором объединены 36-т ДСП и расположенная над ней вращающаяся трубчатая печь. По­догрев фрагментированного лома в печи осуществляется в противотоке отходящими газами и ТКГ. При дополнительном расходе природного газа на ТКГ око­ло 30 м3/т (280 кВт*ч/т) расход электроэнергии снизился на 220 кВт*ч/т.

В последние годы в США осваивается так назы­ваемый Констил-пропесс, в котором используется по­догреватель конвейерного типа. Из-за ограниченной стойкости конвейера температура подогрева лома не превышает 600 — 750 °С. Расход электроэнергии без использования ТКГ снизился до 320 — 340 кВт*ч/т.

Однако такие подогреватели лома дороги, требу­ют для своего размещения больших площадей и не об­ладают необходимой стойкостью. В связи с этим труб­чатые и конвейерные печи для подогрева лома не по­лучили распространения. Более перспективной пред­ставляется ДСП с шахтными подогревателями лома конструкции фирмы «Фукс Системтехник» [2]. Шахт­ный подогреватель устанавливается на своде печи и яв­ляется продолжением рабочего пространства. Большая часть лома загружается непосредственно в печь, а остальная — в подогреватель. Технологические газы удаляются из печи через шахтный подогреватель. По мере нагрева лом сходит из шахты в рабочее пространство. Печь оборудована ТКГ и манипулятором для вдува­ния угля. В последних конструкциях подогреватель имеет в нижней части водоохлаждаемые поворотные пальцы, что позволяет подогревать всю массу шихты. Применение шахтного подогревателя лома и применение ТКГ обеспечивает снижение энергоемкости стали по сравнению с обычной ДСП на 30 — 40 %.

Задача глубокой утилизации тепла отходящих газов для нагрева лома наиболее успешно решена в известном топливно-кислородном агрегате EOF, в котором переплавляется шихта, состоящая из жидкого чугуна и лома. Топливом служит порошкообразный уголь вдуваемый в жидую ванну вместе с кислородом. Подогреватель лома, снабженный водоохлаждаемыми разделительными решетками, устанавливается над печью. Лом загружается в подогреватель сверху отдельными порциями и по мере нагрева перемещается с решетки на решетку, а затем в ванну. Подогревает­ся до температуры 850 °С весь лом на плавку.

Определенный прогресс наблюдается и в области совершенствования применяемых на ДСП горелок. В НИИМ разработаны поворотные ТКГ единичной мощ­ностью 20 МВт и более, позволяющие изменять в широких пределах направления факела по ходу нагрева, в том числе горелки эркерного типа, обеспечивающие внедрение факелов в слой шихты на уровне подины. Это обеспечивает высокий КПД горелок (60 — 70 %). При расходах природного газа 16-18 м3/т и кислорода 32 — 36 м3/т энергопотребление на 100-т ДСП снижа­ется на 120- 180кВт*ч/т. Высокая мощность и энергетическая эффективность горелок конструкции НИИМ позволили реализовать двухстадийный процесс электроплавки, когда после завалки и подвалки шихты горелки работают при отключенных дугах.

В последние годы широкое распространение получает использование порошкообразного угля на ДСП. Это подтверждается результатами освоения так назы­ваемого K-ES процесса. Для работы по технологии K-ES ДСП оборудуются донными фурмами для вдувания порошкообразного угля. кислорода, инертных и защитных углеводородных газов через подину. В стенах устанавливаются ТКГ для дополнительного нагрева лома и. главным образом, для дожигания СО, выделяющейся из ванны. При расходе угля 22 — 30 кг/т и кислорода 50 -55 м3/т сокращение расхода электроэнергии на 1 кг угля составляет в среднем 5,3 кВт*ч/кг, а расход электроэнергии на плавку сокращается до 280 — 320 кВт ч/т.

Учитывая накопленный опыт комбинированного использования в ДСП электроэнергии, газообразного и твердого топлива, а также тепла отходящих газов для предварительного высокотемпературного нагрева лома, специалисты НИИМ разработали двухстадийный топливно-дуговой сталеплавильный процесс и основные технические решения по конструкции топливно-дугового сталеплавильного агрегата (ТДСА). В ТДСА входят дуговая сталеплавильная печь и шахт­ный водоохлаждаемый подогреватель лома. Печь оборудована эркерными газо-кислородными горелками суммарной мощностью 40 МВт и фурмой для вдувания угля и кислорода. В стенах печи установлены также кислородные фурмы для дожигания СО.

Плавка в ТДСА проводится в две стадии. На первой стадии подогретый лом нагревается до температуры 1200 — 1400 °С только за счет топлива: природного газа и угольной пыли, которые сжигаются в кислороде. На второй стадии плавление и нагрев жидкой ван­ны осуществляются за счет совместного использования электроэнергии и порошкообразного угля. В конце плавки с целью гомогенизации ванны по составу и температуре вдувание угля прекращают, и плавка доводится только на электрических дугах. Длительность плавки составляет 60-65 мин. Годовая производительность 40-60-т ТДСА-250-400 тыс.т. Благодаря высокотемпературному нагреву лома отходящими газами и использованию в больших количествах топлива расход электроэнергии сокращается до 130-180 кВт*ч/т, а расход электродов – до 1,0-1,8 кг/т. При этом затраты первичной энергии на выплавку стали по сравнению с обычной ДСП снижаются в 1,5-1.6 раза.

Таким образом, анализ энергоемкости стали, выплавляемой в различных агрегатах, показал, что энергетическая оптимизация процесса получения стали обеспечивается при выплавке ее в ДСП, работающей на шихте, состоящей из 100% лома, с использованием максимально возможных количеств органического топлива, преимущественно угля, и наибольшей утилизации тепла отходящих газов для высокотемпературного подогрева лома. Снижение энергозатрат на выплавку стали не только обеспечивает повышение экономической эффективности процесса, но и улучшает экологию. Все это необходимо учитывать при выборе структуры сталеплавильного производства на предприятии как при строительстве, так и при модернизации.

Источник